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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturversteifung bzw. zu
Verstärkung, Dämmung, Dämpfung und/oder
Abdichtung von Hohlbauteilen wie beispielsweise Teilen von Fahrzeugen,
Flugzeugen, Schiffen oder Ingenieurbauten wie Architekturteile, Träger,
Brücken und ähnlichem.
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Seit
vielen Jahren ist die Automobilindustrie bestrebt, verbesserte Fahrzeugstrukturen
bereit zu stellen, die in der Lage sind, impuls- oder schlagartige
Belastungen der Fahrgastzelle zu absorbieren oder abzulenken („deflect").
Hierzu wurden beispielsweise Strukturen verwendet, die den Rahmen,
der die Fahrgastzelle umgibt, durch metallische Komponenten verstärken
oder versteifen. Diese metallischen Komponenten erhöhen
jedoch in nicht erwünschter Weise das Fahrzeuggewicht.
Andere Lösungswege sehen Verstärkungsteile aus
komplex geformten Bauteilen vor, die durch Schweißen oder durch
mechanische Befestigungsmittel mit dem Fahrzeugrahmen verbunden
werden.
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Die
US-A-4,978,562 beschreibt
einen spezifisch leichten, verstärkenden Türbalken
aus einem Verbundmaterial bestehend aus einem Metallrohr, das teilweise
durch ein spezifisch leichtes Polymer mit Zellstruktur gefüllt
ist. Es wird vorgeschlagen, härtbare Harze auf der Basis
von Epoxidharzen, Vinylesterharzen, ungesättigten Polyesterharzen
und Polyurethanharzen mit den entsprechenden Härtern, Füllstoffen
und zellbildenden Agenzien in einem Extruder zu mischen, diese Mischung
zu einem Kern auszuhärten und so in das Metallrohr einzubringen, dass
der Kern durch Reibungskräfte oder mechanisch in dem Rohr
fixiert wird. Alternativ kann der Polymerkern aus flüssigem
oder pastösem polymeren Material durch Gießen
hergestellt werden und in das Rohr eingepresst werden.
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In
analoger Weise beschreiben die
US-A-4,861,097 und
US-A-4,901,500 spezifisch leichte
Verbundbalken aus geschäumten Polymeren und metallischen
Strukturen zur Verstärkung von Fahrzeugtüren.
Nach dieser Lehre wird der polymere Kernteil zunächst durch
Herstellen eines flüssigen oder pastösen Verstärkungsmaterials
gebildet, das anschließend in eine kanalartige Struktur
injiziert oder gegossen und anschließend ausgehärtet
wird. Danach wird dieses ausgehärtete Kernteil in die metallische
Hohlkörperstruktur eingebracht. Alternativ kann der Kern
vorgeformt oder durch Spritzguss gegossen werden und anschließend
in den Hohlraum eingelegt werden.
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Die
EP 1064188 A1 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils mit Innenversteifung,
insbesondere zur Verwendung bei Automobilkarossen, bei dem ein festes
Kernmaterial mit aktivierbarem Material beschichtet und unter Bildung
eines definierten Hohlraums ein Außenblech angeordnet ist.
Dabei wird der Hohlraum durch den Schäumvorgang des aktivierbaren
Materials voll ausgefüllt. Das feste Kernmaterial wird
aus einem geschäumten oder ungeschäumten metallischen
Werkstoff oder aus einem mit Metallfasern, Kohlefasern oder Glasfasern
verstärkten synthetischen Werkstoff oder durch ein Hohlprofil
gebildet und das Profil wird vor dem Schäumvorgang des
aktivierbaren Materials einem Korrosionsschutztauchbad zugeführt,
wobei das Korrosionsschutzmittel in alle Bereiche des Innenprofils gelangt.
Anschließend wird das Hohlprofil einem Trockenofen zugeführt
und im Trockenofen eine Reaktion des aktivierbaren Materials ausgelöst,
wodurch der definiert vorgegebene Hohlraum zwischen dem aktivierbaren
Material und dem Außenblech ausgefüllt wird.
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EP 383 498 beschreibt trägerlose,
schäumbare Formteile zum Einsetzen in Fahrzeughohlräume und
anschließendem Aufschäumen. Die Formteile können
durch Extrusion hergestellt werden, wobei ihr Querschnitt dem Querschnitt
des auszufüllenden Hohlraums angepasst ist.
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Zum
Einbringen solcher Massen in die Hohlprofile gibt es prinzipiell
zwei Wege: Im ersten Fall werden Formteile vorgeformt, die den Querschnitt des
zu verstärkenden Hohlprofils angepasst sind. Diese werden
beim Zusammenbau des Hohlprofils an einer der beiden Halbschalen,
die den Hohlraum bilden, befestigt. Die Herstellung der vorgeformten Teile
erfolgt entweder in einem Spritzguss- oder einem Extrusionsverfahren,
wobei die Kontur der Teile durch die Spritzgussform bzw. die Extrusionsmatrize vorgegeben
wird. Für jede geometrische Form des Verstärkungsteils
müssen daher entsprechende Spritzgussformen oder Extrusionsmatrizen
angefertigt werden. Die vorgeformten Teile müssen für
den Transport so verpackt werden, dass sie nicht beschädigt
werden. Die Entnahme aus der Verpackung und das Einsetzen in das
Hohlprofil erfolgen manuell. Dieser gesamte Prozess ist sehr arbeitsaufwändig und
damit kostenträchtig.
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Eine
Alternative hierzu besteht in der Herstellung von Granulat des thermisch
expandierbaren Materials und dessen Versand in Granulatform zum Anwendungsort.
Dort wird das Granulat aufgeschmolzen und durch einen Extruder in
den zu verstärkenden Hohlraum gepresst. Dies setzt entsprechende
Extrudereinrichtungen am Anwendungsort und hierfür geschultes
Bedienungspersonal voraus.
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Im
Hinblick auf den bekannten Stand der Technik haben sich die Erfinder
die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Verstärkung, Dämmung,
Dämpfung und/oder Abdichtung von Hohlbauteilen zur Verfügung
zu stellen, bei dem es nicht erforderlich ist, Verstärkungselemente
in vorgefertigter Form oder mit einem an das jeweilige Hohlbauteil
angepassten Querschnitt herzustellen. Weiterhin soll die erforderliche Menge
an thermisch expandierbarem Material möglichst gering gehalten
werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren
zur Verstärkung, Dämmung, Dämpfung und/oder
Abdichtung von Hohlbauteilen, die einen Hohlraum umschließende
innere Begrenzungswände aufweisen, unter Verwen dung eines
thermisch expandierenden Materials und inerter Verstärkungsteile,
dadurch gekennzeichnet, dass man eines oder mehrere inerte Verstärkungsteile
und thermisch expandierbares Material, das nicht fest mit den inerten
Verstärkungsteilen verbunden ist, nebeneinander so in den
Hohlraum einbringt, dass das thermisch expandierbare Material zwischen
dem (den) Verstärkungsteil(en) und den inneren Begrenzungswänden
angeordnet ist, und das thermisch expandierbare Material durch Erwärmen
auf eine Temperatur im Bereich von 130 bis 220°C expandiert
und erwünschtenfalls aushärtet. In der folgenden
Beschreibung werden anstelle des Begriffs „thermisch expandierbares
Material" auch die Begriffe „thermisch expandierbare Masse"
oder „reaktives Strukturmaterial" verwendet. Vorzugsweise
härtet diese Masse während oder nach der thermischen
Expansion aus.
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Als „inerte
Verstärkungsteile" werden hier Teile aus einem Material
verstanden, das sich bei Temperaturen bis zu 220°C nicht
signifikant verformt. Beispiele hierfür sind Teile aus
Keramik (inklusive Glaskeramik) oder aus Metallen wie beispielsweise Stahl
oder aus Gewichtsgründen insbesondere Aluminium. Weiterhin
sind Verstärkungsteile aus Kunststoffen als „inerte
Verstärkungsteile" geeignet, sofern der Kunststoff die
genannten Bedingungen erfüllt. Ein Beispiel hierfür
ist Polyamid. Teile aus Keramik oder aus Kunststoff, insbesondere
aus Polyamid, können mit Fasern verstärkt sein.
Diese können beispielsweise ausgewählt sein aus
Aramidfasern, Kohlenstoff-Fasern, Metallfasern – z. B.
aus Aluminium –, Glasfasern, Polyamidfasern, Polyethylenfasern
oder Polyesterfasern.
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Zur
Gewichtsersparnis ist es bevorzugt, dass die inerten Verstärkungsteile
mindestens einen inneren Hohlraum aufweisen und/oder aus einer Schaumstruktur
bestehen. Vorzugsweise werden solche Verstärkungsteile
verwendet, die unter Einbeziehung der Hohlräume ein scheinbares
spezifisches Gewicht im Bereich von 0,1 bis 0,8, vorzugsweise im Bereich
von 0,2 bis 0,5 g/cm3 aufweisen.
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Zur
Versteifung muss der Hohlraum des Hohlbauteils nach der Expansion
des thermisch expandierbaren Materials zumindest in einer Richtung in
einer Quer schnittsfläche des Hohlbauteils völlig mit
dem expandierten thermisch expandierbaren Material und dem Verstärkungsteil
bzw. den Verstärkungsteilen ausgefüllt sein. Die
Größe und Anzahl der Verstärkungsteile
und der Menge an thermisch expandierbarem Material sowie den Expansionsgrad des
thermisch expandierbaren Materials müssen entsprechend
aufeinander abgestimmt sein.
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Eine
mögliche Ausführungsform dieser Erfindung besteht
darin, dass das thermisch expandierbare Material in Form von Teilen
vorliegt, bei denen eine Abmessung mindestens 90% der Länge
derjenigen Seite des inerten Füllteils entspricht, neben
der das Teil aus thermisch expandierbarem Material angeordnet wird.
Beispielsweise können diese die Form von Quadern, insbesondere
von Stäben, Platten, Bändern oder Leisten haben.
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Eine
weitere mögliche Ausführungsform besteht darin,
dass das thermisch expandierbare Material als Anordnung aus großen
und kleinen Kugeln eingebracht wird, wobei die großen Kugeln
einen mittleren Außendurchmesser im Bereich von 2 bis 20 mm
aufweisen und die kleinen Kugeln ausgewählt sind aus ersten
kleinen Kugeln und zweiten kleinen Kugeln oder aus einer Mischung
hiervon, wobei die ersten kleinen Kugeln einen mittleren Außendurchmesser
aufweisen, der um nicht mehr als 20% von dem Durchmesser einer Kugel
abweicht, die genau in eine Tetreaderlücke einer dichtesten
Packung der großen Kugeln passt und wobei die zweiten kleinen Kugeln
einen mittleren Außendurchmesser aufweisen, der um nicht
mehr als 20% von dem Durchmesser einer Kugel abweicht, die genau
in eine Oktaederlücke einer dichtesten Packung der großen
Kugeln passt, und wobei entweder die großen Kugeln aus
einem thermisch expandierbaren Material und die kleinen Kugeln aus
einem thermisch inerten Material bestehen, oder dass die kleinen
Kugeln aus einem thermisch expandierbaren Material und die großen
Kugeln aus einem thermisch inerten Material bestehen, wobei das
thermisch expandierbare Material so ausgewählt ist, dass
es sich beim Erhitzen von 20°C auf eine Temperatur im Bereich
von 130 bis 220°C um 5 bis 200% ausdehnt und sich hierbei
verfestigt, und wobei das thermisch inerte Material als ein Material
definiert ist, das bei einer Temperatur von nicht mehr als 230°C
nicht erweicht oder schmilzt.
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Das
Konzept dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
geht von dem theoretischen Modell einer dichtesten Kugelpackung
aus großen Kugeln aus, die bekanntermaßen so genannte
Tetraederlücken und so genannte Oktaederlücken
enthält. Eine Tetraederlücke ist gleichmäßig
von 4 Kugeln begrenzt, eine Oktaederlücke von 6 Kugeln.
Im idealen Grenzfall enthält eine dichteste Kugelpackung
genau so viele Oktaederlücken und doppelt so viele Tetraederlücken
wie Kugeln. Der Durchmesser von Kugeln, die genau in eine Oktaederlücke
bzw. Tetraederlücke passen, hängt über
eine einfache geometrische Beziehung von dem Durchmesser der Kugeln
ab, die die Kugelpackung bilden.
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In
ihrer allgemeinen Form lässt es die vorliegende Erfindung
offen, ob bevorzugt die großen Kugeln oder ob bevorzugt
die kleinen Kugeln aus einem thermisch expandierbaren Material bestehen.
Da in der Praxis das Material für die thermisch nicht expandierbaren
Kugeln so gewählt werden kann, dass es billiger ist als
das thermisch expandierbare Material, ist es aus Kostengründen
bevorzugt, dass die großen Kugeln aus einem thermisch inerten
und die kleinen Kugeln aus einem thermisch expandierbaren Material
bestehen.
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Im
theoretischen Idealfall einer dichtesten Kugelpackung wäre
eine optimale Füllung des Gesamtvolumens dann erreicht,
wenn die Anordnung aus großen und kleinen Kugeln doppelt
so viele erste kleine Kugeln wie große Kugeln sowie genau
so viele zweite kleine Kugeln wie große Kugeln enthält.
Um der praktischen Situation einer nicht idealen Kugelpackung Rechnung
zu tragen, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt,
dass die Anzahl der großen und der kleinen Kugeln um jeweils
nicht mehr als 50%, vorzugsweise um nicht mehr als 30% und insbesondere
um nicht mehr als 20% von mindestens einer der folgenden Bedingungen
abweicht:
- a) Die Anordnung enthält
doppelt so viele erste kleine Kugeln wie große Kugeln,
- b) die Anordnung enthält genau so viele zweite kleine
Kugeln wie große Kugeln.
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Vorzugsweise
weicht die Zusammensetzung der Anordnung aus großen und
kleinen Kugeln um nicht mehr als 50%, vorzugsweise um nicht mehr
als 30% und insbesondere um nicht mehr als 20% von der idealen Bedingung
ab, dass die Anordnung sowohl doppelt so viele erste kleine Kugeln
als auch genau so viele zweite kleine Kugeln wie große
Kugeln enthält.
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Die
Anzahl von großen und kleinen Kugeln, die zur Herstellung
der Anordnung eingesetzt werden, kann nicht nur durch direktes Abzählen,
sondern bei bekannter Masse der einzelnen Kugeln auch durch Wägung
bestimmt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegende Erfindung
wird das thermisch expandierbare Material in Form einer Anordnung
von Kugeln eingebracht, die ausgewählt aus Hohlkugeln mit
einem Innendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 10 mm und einer Wandstärke
im Bereich von 0,01 bis 2 mm und aus Kugeln aus einem bei einer
Temperatur unterhalb von 220°C festen Schaum mit einem
Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 12 mm, wobei die Kugeln außen
mit einem thermisch expandierbaren Material beschichtet sind.
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In
dieser Ausführungsform sind die Kugeln vorzugsweise so
mit dem thermisch expandierbaren Material beschichtet, dass die
Dicke des thermisch expandierbaren Materials 10 bis 50% des Außendurchmessers
der unbeschichteten Kugeln beträgt. Dabei ist die Beschichtungsdicke
um so größer zu wählen, je weniger sich
das thermisch expandierbare Material beim Erwärmen ausdehnt.
Ausdehnungsrate und Schichtdicke des thermisch expandierbaren Materials
sollen so aufeinander abgestimmt sein, dass unter Annahme einer
dichtesten Kugelpackung die Lücken zwischen den Kugeln
beim Aufschäumen des thermisch expandierbaren Materials
mindestens vollständig gefüllt werden können.
Da die Anordnung von Kugeln im Praxisfall von der dichtesten Kugelpackung
abweichen wird, so dass der Anteil des Volumens der Zwischenräume
zwischen den Kugeln am Gesamtvolumen der Anordnung der Kugeln größer ist
als im theoretischen Grenzfall der dichtesten Kugelpackung, sollen
Schichtdicke und Ausdehnungsrate des thermisch expandierbaren Materials
so aufeinander abgestimmt sein, dass mindestens das 1,2-fache, vorzugsweise
mindestens das 1,5-fache und insbesondere mindestens das doppelte
Lückenvolumen einer dichtesten Kugelpackung beim Aufschäumen
ausgefüllt werden kann.
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Im
Sinne dieser Erfindung soll der Begriff „Kugeln" nicht
nur Kugeln im streng geometrischen Sinne umfassen, sondern allgemein
Kugel-ähnliche Gebilde wie beispielsweise gezogene oder
gestauchte Kugeln, eiförmige Gebilde oder kugelartige Gebilde
mit ausgebeulter oder eingedellter Oberfläche. Es sollen
also auch deformierte Kugel-artige Gebilde eingeschlossen werden,
wie sie bei der technischen Herstellung möglichst Kugel-ähnlicher
Gebilde erhalten werden. Beispielsweise haben Kugel-förmige
Gebilde aus Metallschaum oder Keramik, wie beispielsweise Blähton,
im allgemeinen nicht die Form einer exakten geometrischen Kugel.
Im allgemeinen sollen die kugelförmigen Körper,
die hier unter dem Begriff "Kugeln" zusammengefasst werden, einen
längsten und einen kürzesten Durchmesser aufweisen,
die um nicht mehr als 20% voneinander abweichen.
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Wenn
hierbei von einem „mittleren (Außen)Durchmesser"
die Rede ist, so soll mit dieser Formulierung dem Umstand Rechnung
getragen werden, dass bei der Herstellung der angenähert
kugelförmigen Körper Abweichungen im Durchmesser auftreten
können. Beispielsweise kann es möglich sein, dass
die tatsächlichen Durchmesser der einzelnen Kugeln um bis
zu 20% vom Mittelwert abweichen können.
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Unter
einer „Anordnung von Kugeln" wird dabei eine dreidimensionale
Anordnung von 10 oder mehr Kugeln verstanden, wobei mindestens 90%
der Kugeln drei oder mehr benachbarte Kugeln berühren.
Beispielsweise kann es sich um eine Schüttung von Kugeln
in einem Behältnis mit festen oder nachgiebigen Begren zungen
handeln. Beispielsweise kann es sich um eine Anordnung von Kugeln
in einem zu verstärkenden Hohlbauteil handeln, wobei die
Kugeln durch die Innenwände des Hohlbauteils und Begrenzungsflächen
der inerten Verstärkungsteile zusammen gehalten werden.
Die Anordnung von Kugeln kann jedoch beispielsweise auch einen mit
Kugeln gefüllten Schlauch oder ein mit Kugeln gefülltes
Säckchen, beispielsweise ein Plastikbeutel, darstellen.
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Die
nach der Expansion des thermisch expandierbaren Materials noch vorliegenden
Kugeln aus nicht thermisch expandierbarem Material sollen im Stande
sein, Druck-, Stoß- oder Torsionskräfte aufzunehmen,
ohne merklich zu verformen. Im Falle von Hohlkugeln müssen
daher Wandmaterial, Wandstärke und Innendurchmesser entsprechend
aufeinander abgestimmt sein. Je geringer der Innendurchmesser, desto
geringer kann auch die Wandstärke sein. Bei leichter deformierbarem
Material sind größere Wandstärken erforderlich
als bei weniger leicht deformierbarem Material. Beispielsweise können
diese Kugeln Hohlkugeln darstellen und aus einem Material bestehen,
das ausgewählt ist aus Glas, Keramik, Metall oder aus einem
Kunststoff, der sich beim Erwärmen auf eine Temperatur
bis zu 220°C nicht signifikant verformt. Beispielsweise
ist hierfür Polyamid geeignet.
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Als
Alternative zu Hohlkugeln können diese Kugeln auch aus
einem Schaum bestehen. Beispielsweise kann dies ein Metallschaum
sein, aus Gewichtsgründen insbesondere aus Aluminium, Magnesium
oder Legierungen, die zu mindestens 50 Gew.-% aus mindestens einem
dieser Metall bestehen. Der Schaum kann auch ein keramischer Schaum
wie beispielsweise Blähton sein.
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Die
Anordnung von Kugeln soll ein möglichst geringes spezifisches
Gewicht aufweisen. Daher wird das Material der Kugeln vorzugsweise
so gewählt und im Falle von Hohlkugeln ihr Außendurchmesser
und ihre Wandstärke so aufeinander abgestimmt, dass eine
gerüttelte Anordnung unbeschichteter Kugeln bzw. Kugeln
aus einem nicht thermisch expandierbaren Material eine Schüttdichte
im Bereich von 0,1 bis 0,8, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 g/cm3 aufweist.
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Unabhängig
davon, welche der beiden vorstehend genannten Arten einer Anordnung
von Kugeln man einsetzt, kann man die Kugeln in Form einer losen
Schüttung in den oder die vorgesehenen Zwischenräume
zwischen mehreren inerten Verstärkungsteilen oder zwischen
inerten Verstärkungsteilen und inneren Begrenzungswänden
des zu verstärkenden Hohlraums einbringen. Beispielsweise
kann die Kugelschüttung dadurch erzeugt werden, dass man
die Kugeln in das zu verstärkende Hohlbauteil mechanisch
einträgt, beispielsweise hinein bläst oder unter
Einwirkung von Schwerkraft hinein fallen lässt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die
Anordnung von Kugeln aus einer vorgewählten Menge, die
sich in einem nachgiebigen Behältnis in der Art eines Säckchens
befindet, wobei das Material des Behältnisses so gewählt
ist, das es beim Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich
von 130 bis 220°C erweicht oder schmilzt. Zum Verstärken
eines Hohlraums werden zwei oder mehr solche kugelgefülltes
Säckchen in den auszufüllenden Zwischenräumen
angeordnet. Form und Größe des Säckchens
und die Menge der Kugeln sind vorzugsweise auf Form und Größe
des zu füllenden Zwischenraums abgestimmt. Beispielsweise
kann bei der Verstärkung länglicher Hohlbauteile
unter Verwendung länglicher inerter Verstärkungsteile
das Säckchen die Form eines Schlauches haben.
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Das
kugelgefüllte Säckchen kann beispielsweise in
ein vorgefertigtes, jedoch an mindestens einem Ende offenes Hohlbauteil
hinein gelegt oder hinein gestellt werden. Im einfachsten Falle
fixiert es sich durch Reibungskräfte in dem Hohlraum selbst. Es
können jedoch auch Halteelemente wie beispielsweise Vorsprünge
oder Stifte in dem Hohlraum vorgesehen werden, auf die das kugelgefüllte
Säckchen aufgestellt werden kann.
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Wird
wie üblich das Hohlbauteil dadurch gefertigt, dass man
zwei vorgeformte Halbschalen miteinander verbindet, kann das kugelgefüllte
Säckchen vor dem Verbinden der beiden Halbschalen an einer der
Halbschalen-Innenwände befestigt werden. Dies kann dadurch
geschehen, dass man das Säckchen in ein vorgesehenes mechanisches
Befestigungselement wie beispielsweise einen Haken ein hängt
oder mit Hilfe eines Clipses in einer Bohrung befestigt oder indem
man das Säckchen an der Wand einer Halbschale festklebt.
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Das
Material des Säckchens soll bei der Expansionstemperatur
zumindest so weit erweichen, dass die Expansion der thermisch expandierbaren Masse
nicht behindert wird. Bei der Wahl des Materials, aus dem das Behältnis
für das Gemenge aus großen und kleinen Kugeln
besteht, ist darauf zu achten, dass es die Haftung der thermisch
expandierten Masse an der Innenwand des ausgefüllten Hohlbauteils
nicht beeinträchtigt. Dies lässt sich insbesondere
dadurch gewährleisten, dass sich das Material des Behältnisses
mit der thermisch expandierenden Masse vermischt, sich in dieser
löst und/oder mit dieser reagiert.
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Weiterhin
stellt sich in der Praxis das Problem, dass sich eine vorgegebene
Anordnung von großen und kleinen Kugeln beim Rütteln
entmischt. Dies kann beispielsweise beim Transport der Fall sein.
Schließt man das Gemenge aus großen und kleinen
Kugeln so in ein Behältnis ein, dass sich die Kugeln möglichst
wenig gegeneinander verschieben können, wird die Entmischung
stark eingeschränkt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht
werden, dass das Material des Behältnisses schrumpfbar
ist, beispielsweise durch Erwärmen, und nach dem Befüllen
des Behältnisses mit dem Gemenge aus großen und
kleinen Kugeln geschrumpft wurde. Das Gemenge wird dann durch das
geschrumpfte Behältnismaterial zusammen gepresst, so dass
die Beweglichkeit der Kugeln gegeneinander weiter eingeschränkt ist.
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Eine
weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass das thermisch expandierbare Material als Granulat in
mindestens einen Zwischenraum zwischen dem (den) Verstärkungsteil(en)
und den inneren Begrenzungswänden des Hohlraums eingebracht
wird. Oder aber das thermisch expandierbare Material wird als pumpbare Masse
in mindestens einen Zwischenraum zwischen dem (den) Verstärkungsteil(en)
und den inneren Begrenzungswänden des Hohlraums eingebracht.
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Da
das inerte Material billiger gewählt werden kann als das
thermisch expandierbare Material, ist es bevorzugt, dass der zu
verstärkende Hohlraum möglichst weitgehend von
dem inerten Material ausgefüllt wird. Daher stimmt man
vorzugsweise Größe und Anzahl der Verstärkungsteile
und der Menge an thermisch expandierbaren Material sowie den Expansionsgrad
des thermisch expandierbaren Materials so aufeinander ab, dass das
Volumen des Hohlraums, das durch das expandierte thermisch expandierbare
Material und das Verstärkungsteil oder die Verstärkungsteile
ausgefüllt ist, zu mindestens 50, vorzugsweise zu mindestens
70 Vol-% durch das Verstärkungsteil oder die Verstärkungsteile
ausgefüllt ist.
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Je
nach Form des Hohlraums können sowohl die Verstärkungsteile
als auch die Stücke aus thermisch expandierbarem Material
bzw. Säckchen, die Kugeln mit thermisch expandierbarem
Material enthalten, unterschiedlich geformt sein. Beispielsweise können
die Verstärkungsteile runde oder polyederförmige
geschlossene oder teilweise offene Hohlkörper oder Rohrstücke
mit rundlichem oder mehreckigem Querschnitt darstellen. Sofern die
Verstärkungsteile aus einer Schaumstruktur bestehen, können
sie runde oder polyederförmige Körper oder Säulen
mit rundlichem oder mehreckigem Querschnitt darstellen. Besonders
zum Versteifen länglicher Hohlräume ist es vorzuziehen,
dass sowohl die Verstärkungsteile als auch die Stücke
aus thermisch expandierbarem Material länglich sind, d.
h. eine Längsachse aufweisen, die mindestens 1,5 mal so
lang ist wie die nächst kürzere Achse. Beispielsweise
können Verstärkungsteile und Stücke aus
thermisch expandierbarem Material verwendet werden, deren längste
Achse mindestens 5 mal so lang ist wie die nächst kürzere
Achse. Das entsprechende gilt, wenn das thermisch expandierbare
Material in einer der anderen beschriebenen Weisen eingebracht wird:
In diesem Fall sorgt man dafür dass die entsprechenden
länglichen Zwischenräume zwischen inertem Verstärkungsteil
und innerer Begrenzungswand des zu verstärkenden Hohlraums
ausgefüllt werden. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen,
dass man das thermisch expandierbare Material in entsprechend geformten Säckchen
in die Zwischenräume einbringt.
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Vorzugsweise
weist das inerte Formteil vorspringende Wände oder Rippen
auf, die in Richtung der Innenwände des Hohlraums weisen
und die den mit dem thermisch expandierbaren Material auszufüllenden
Zwischenraum seitlich begrenzen. Dies erlaubt es, das thermisch
expandierbare Material besser auf den zum Ausfüllen vorgesehenen
Zwischenraum zu beschränken. Gleichzeitig hemmen diese Wände
oder Rippen eine seitliche Ausdehnung der thermisch expandierbaren
Masse bei deren Expansion, so dass diese Masse bevorzugt zwischen
inertem Verstärkungsteil und Innenwänden des Hohlraums eingeschlossen
wird. Die 1 und 2 zeigen dies
schematisch.
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Das
thermisch expandierbare und vorzugsweise härtbare Material
wird vorzugsweise so gewählt, dass es sich beim Erwärmen
von 20°C auf eine Temperatur im Bereich von 130 bis 220°C
um 5 bis 200%, vorzugsweise um 10 bis 100% ausdehnt. Solche Materialien
sind im Stand der Technik bekannt und werden nachfolgend beispielhaft
beschrieben.
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Vorzugsweise
enthält die expandierbare Masse mindestens die folgenden
Komponenten:
- a) mindestens ein reaktives Präpolymer,
- b) mindestens ein (chemisches oder physikalisches) latentes
Treibmittel.
Je nach chemischer Natur des Präpolymers
kann die Masse zusätzlich enthalten:
- c) mindestens einen latenten Härter für das
reaktive Präpolymer.
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Dabei
bedeutet „latent", dass die erwünschte Reaktion
der jeweiligen Komponente nicht unterhalb von 80°C, jedoch
im Temperaturbereich von 130 bis 220°C eintritt.
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Insbesondere
enthält die thermisch expandierbare Masse mindestens:
- a) ein bei Temperaturen im Bereich von 130
bis 220°C mit sich selbst oder mit anderen Bestandteilen
der Masse (z. B. einem gegebenenfalls zugesetzem Härter)
vernetzendes Harz (im weiteren auch als „Bindemittel" bezeichnet),
- b) ein Treibmittel, das bei einer Temperatur im Bereich von
130 bis 220°C unter Volumenvergrößerung
oder Gasentwicklung reagiert und hierdurch das Volumen der Masse
mindestens im weiter oben angegebenen Ausmaß vergrößert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die
Zusammensetzungen für das thermisch härtbaren
Strukturmaterial zusätzlich Fasern auf der Basis von Aramidfasern,
Kohlenstoff-Fasern, Metallfasern – z. B. aus Aluminium –, Glasfasern,
Polyamidfasern, Polyethylenfasern oder Polyesterfasern, wobei diese
Fasern vorzugsweise Pulpfasern oder Stapelfasern sind, die eine
Faserlänge zwischen 0,5 und 6 mm haben und einen Durchmesser
von 5 bis 20 μm. Besonders bevorzugt sind hierbei Polyamidfasern
vom Typ der Aramidfaser oder auch Polyesterfasern.
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Nachfolgend
werden einige Beispiele für eine geeignete thermisch expandierbare
Masse, im folgenden auch als „Strukturmaterial" bezeichnet,
angegeben:
Das härtbare Harz a) kann beispielsweise
ausgewählt sein aus: Polyurethanen mit freien oder blockierten
Isocyanatgruppen, ungesättigten Polyester-/Styrolsystemen,
Polyester-/Polyolmischungen, Polymercaptanen, Siloxan-funktionellen
reaktiven Harzen oder Kautschuke, Harzen auf Benzoxazin-Basis sowie
Harzen auf Basis von reaktiven Epoxidgruppen.
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Weitere
geeignete polymere Basisbindemittel („Harze") für
das thermisch expandierbare Strukturmaterial sind beispielsweise
Ethylenvinylacetat-Copolymere (EVA), Copolymere des Ethylens mit (Meth)acrylatestern,
die gegebenenfalls noch anteilig (Meth)acrylsäure einpolymerisiert
enthalten, statistische oder Blockcopolymere des Styrols mit Butadien oder
Isopren oder deren Hydrierungsprodukte. Letztere können
auch Triblockcopolymere vom Typ SBS, SIS oder deren Hydrierungsprodukte
SEES oder SEPS sein. Zusätzlich können die Bindemittel
noch Vernetzer, Haftvermittler, klebrig machende Harze („tackifier"),
Weichmacher sowie weitere Hilfs- und Zusatzstoffe wie z. B. niedermolekulare
Oligomere enthalten.
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Nachfolgend
wird ein alternatives Bindemittelsystem („Harz) für
das reaktive expandierbare Strukturmaterial auf Basis von Epoxidharzen
und Härtern beschrieben, wie sie beispielsweise in der
WO 00/52086 oder der
WO 2003/054069 sowie
der
WO 2004/065485 offenbart
sind:
Als Epoxidharze eignen sich eine Vielzahl von Polyepoxiden,
die mindestens 2 1,2-Epoxigruppen pro Molekül haben. Das
Epoxid-Äquivalent dieser Polyepoxide kann zwischen 150
und 50000, vorzugsweise zwischen 170 und 5000, variieren. Die Polyepoxide können
grundsätzlich gesättigte, ungesättigte,
cyclische oder acyclische, aliphatische, alicyclische, aromatische
oder heterocyclische Polyepoxidverbindungen sein. Beispiele für
geeignete Polyepoxide schließen die Polyglycidylether ein,
die durch Reaktion von Epichlorhydrin oder Epibromhydrin mit einem
Polyphenol in Gegenwart von Alkali hergestellt werden. Hierfür
geeignete Polyphenole sind beispielsweise Resorcin, Brenzkatechin,
Hydrochinon, Bisphenol A (Bis-(4-Hydroxy-phe-nyl)-2,2-propan)),
Bisphenol F (Bis(4-hydroxyphenyl)-methan), Bis(4-hy-droxyphenyl)-1,1-isobutan,
4,4'-Dihydroxybenzophenon, Bis(4-hydroxyphe-nyl)-1,1-ethan, 1,5-Hydroxy-naphthalin.
Weitere geeignete Polyphenole als Basis für die Polyglycidylether
sind die bekannten Kondensationsprodukte aus Phenol und Formaldehyd
oder Acetaldehyd vom Typ der Novolak-Harze.
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Weitere
Polyepoxide sind Polyglycidylester von Polycarbonsäuren,
beispielsweise Umsetzungen von Glycidol oder Epichlorhydrin mit
aliphatischen oder aromatischen Polycarbonsäuren wie Oxalsäure, Bernsteinsäure,
Glutarsäure, Terephthalsäure oder Dimerfettsäure.
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Weitere
Epoxide leiten sich von den Epoxidierungsprodukten olefinisch ungesättigter
cycloaliphatischer Verbindungen oder von nativen Ölen und Fetten
ab.
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Ganz
besonders bevorzugt werden die Epoxidharze, die sich durch Reaktion
von Bisphenol A oder Bisphenol F und Epichlorhydrin ableiten, wobei die
flüssigen Epoxidharze vorzugsweise auf der Basis des Bisphenols
A sind und ein hinreichend niedriges Molekulargewicht aufweisen.
Die bei Raumtemperatur flüssigen Epoxidharze haben in der
Regel ein Epoxid-Äquivalentgewicht von 150 bis etwa 480,
besonders bevorzugt ist ein Epoxi-Äquivalentgewichtbereich
von 182 bis 350.
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Als
Flexibilisierungsmittel können flexibilisierend wirkende
Epoxidharze wie die an sich bekannten Addukte aus Carboxyl-terminierten
Butadienacrylnitrilcopolymeren (CTBN) und flüssigen Epoxidharzen
auf der Basis des Diglycidylethers vom Bisphenol A eingesetzt werden.
Konkrete Beispiele sind die Umsetzungsprodukte der Hycar CTBN 1300 X8,
1300 X13 oder 1300 X15 der Firma B. F. Goodrich mit flüssigen
Epoxidharzen. Weiterhin lassen sich auch die Umsetzungsprodukte
von aminoterminierten Polyalkylenglykolen (Jeffamine) mit einem Überschuss
an flüssigen Polyepoxiden einsetzen. Grundsätzlich
können auch Umsetzungsprodukte von Mercapto-funktionellen
Präpolymeren oder flüssige Thiokol-Polymere mit
einem Überschuss an Polyepoxiden als flexibilisierende
Epoxidharze erfindungsgemäß eingesetzt werden.
Ganz besonders bevorzugt sind jedoch die Umsetzungsprodukte von polymeren
Fettsäuren, insbesondere der Dimerfettsäure mit
Epichlorhydrin, Glycidol oder insbesondere Diglycidylether des Bisphenols
A (DGBA). Weiterhin eignen sich die Copolymeren des Acrylnitrils
mit Butadien und oder Isopren und ggf. (Meth)acrylsäure mit
einem Acrylnitrilgehalt zwischen 10 und 50 Gew.-%, vorzugsweise
zwischen 20 und 40 Gew.-% und einem (Meth)acrylsäuregehalt
zwischen 0,0 und 1 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,0 und 0,1 Gew.-%
als Flexibilisierungsmittel. Es können auch Mischungen
der vorgenannten Flexibilisierungsmittel eingesetzt werden.
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Das
reaktive Strukturmaterial kann zum Einstellen einer erwünschten
Viskosität für beispielsweise einen Extrusionsprozess
reaktive Verdünner enthalten. Reaktive Verdünner
im Sinne dieser Erfindung sind Epoxidgruppen enthaltende, niederviskose Substanzen
(Glycidylether oder Glycidylester) mit aliphatischer oder aromatischer
Struktur. Diese Reaktivverdünner dienen einerseits zur
Viskositätserniedrigung des Bindemittel-Systems oberhalb
des Erweichungspunktes, andererseits steuern sie den Vorgelierungsprozess
im Spritzguss. Typische Beispiele für erfin dungsgemäß einzusetzende
Reaktivverdünner sind Mono-, Di- oder Triglycidylether
von C6- bis C14-Monoalkoholen
oder Alkylphenolen sowie die Monoglycidylether des Cashewnuss-Schalenöls,
Diglycidylether des Ethylenglycols, Diethylenglycols, Triethylenglycols,
Tetraethylenglykols, 1,2-Propylenglycols, 1,4-Butylenglycols, 1,5-Pentandiols,
1,6-Hexandiols, Cyclohexandimethanols, Triglycidylether des Tri-methylolpropans
sowie die Glycidylester von C6- bis C24-Carbonsäuren oder deren Mischungen.
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Da
das härtbare Strukturmaterial vorzugsweise einkomponentig
ausgebildet ist und in der Hitze härtbar sein soll, enthält
es weiterhin einen latenten Härter und/oder zusätzlich
einen oder mehrere Beschleuniger.
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Als
thermisch aktivierbare oder latente Härter für
ein Epoxidharz-Bindemittelsystem können Guanidine, substituierte
Guanidine, substituierte Harnstoffe, Melaminharze, Guanamin-Derivate,
cyclische tertiäre Amine, aromatische Amine und/oder deren Mischungen
eingesetzt werden. Dabei können die Härter sowohl
stöchiometrisch mit in die Härtungsreaktion einbezogen
sein, sie können jedoch auch katalytisch wirksam sein.
Beispiele für substituierte Guanidine sind Methylguanidin,
Dimethylguanidin, Trimethylguanidin, Tetramethylguanidin, Methylisobiguanidin,
Dimethylisobiguanidin, Tetramethylisobiguanidin, Hexamethylisobiguanidin,
Hepamethylisobiguanidin und ganz besonders Cyanoguanidin (Dicyandiamid).
Als Vertreter für geeignete Guanamin-Derivate seien alkylierte
Benzoguanamin-Harze, Benzoguanamin-Harze oder Methoximethyl-ethoxymethylbenzoguanamin
genannt. Für die einkomponentigen, hitzehärtenden
Massen ist selbstverständlich das Auswahlkriterium die
niedrige Löslichkeit dieser Stoffe bei Raumtemperatur in
dem Harzsystem, so dass hier feste, fein vermahlene Härter
den Vorzug haben, insbesondere ist Dicyandiamid geeignet. Damit
ist eine gute Lagerstabilität der Zusammensetzung gewährleistet.
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Zusätzlich
oder anstelle von den vorgenannten Härtern können
katalytisch wirksame substituierte Harnstoffe eingesetzt werden.
Dies sind insbesondere der p-Chlorphenyl-N,N-dimethylharnstoff (Monuron),
3-Phenyl-1,1-di-methylharnstoff (Fenuron) oder 3,4-Dichlorphenyl-N,N-dimethylharnstoff
(Diuron). Prinzipiell können auch katalytisch wirksame tertiäre
Acryl- oder Alkyl-Amine, wie beispielsweise das Benzyldimethylamin,
Tris(dimethylamino)phenol, Piperidin oder Piperidinderivate eingesetzt
werden, diese haben jedoch vielfach eine zu hohe Löslichkeit in
dem Bindemittelsystem, so dass hier keine brauchbare Lagerstabilität
des einkomponentigen Systems erreicht wird. Weiterhin können
diverse, vorzugsweise feste, Imidazolderivate als katalytisch wirksame Beschleuniger
eingesetzt werden. Stellvertretend genannt seien 2-Ethyl-2-methylimidazol,
N-Butylimidazol, Benzimidazol sowie N-C1- bis C12-Alkylimidazole
oder N-Arylimidazole, Triazinderivate sowie Imidazol/Triazinverbindungen
(z. B. C11-Z-Azine). Es können auch Kombinationen aus Härter
und Be-schleuniger in Form von sog. beschleunigten Dicyandiamiden
in fein vermahlener Form verwendet werden. Dadurch erübrigt
sich gelegentlich der separate Zusatz von katalytisch wirksamen
Beschleunigern zu dem Epoxid-Härtungssystem.
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Für
besonders reaktive Systeme können auch fein vermahlene
pulverförmige Härtungsbeschleuniger auf der Basis
von Addukten von Aminen an Epoxydharze verwendet werden, diese Addukte weisen
tertiäre Aminogruppen und Epoxigruppen auf. Diese latenten,
pulverförmigen Beschleuniger können in Kombination
mit den vorgenannten latenten Härtern und/oder Beschleunigern
eingesetzt werden.
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Weiterhin
können die reaktiven und thermisch expandierbaren Strukturmaterialien
mindestens ein feinteiliges thermoplastisches Polymerpulver enthalten.
Diese thermoplastischen Polymerpulver können im Prinzip
aus einer Vielzahl von feinteiligen Polymerpulvern ausgewählt
werden, beispielhaft erwähnt seien Vinylacetat-Homopolymer,
Vinylacetatcopolymer, Ethylenvinylacetat-Copolymer, Vinylchlorid-Homopolymer
(PVC) oder Copolymere des Vinylchlorids mit Vinylacetat und/oder
(Meth)acrylaten, Styrol-Homo- oder -Copolymere, (Meth)acrylat-Homo-
oder -Copolymere oder Polyvinylbutyral. Besonders bevorzugte thermoplastische
Polymere enthalten funktionelle Gruppen wie Carboxylgruppen, Carbonsäureanhydridgruppen
oder Imidazolgruppen und haben eine Kern/Schale Struktur, wobei die Schale
dieser Polymeren bei Raumtemperatur gegenüber Weichmachern
oder Reaktivverdünnern ein geringes Quellungsverhalten
aufweisen. Bei der Vorgelierungsreaktion während einer
Extrusion des reaktiven Strukturmaterials quellen diese Kern/Schalepolymere
sehr rasch auf und bewirken nach dem Abkühlen de der extrudierten
Masse sofort eine klebfreie Oberfläche der expandierbaren
Bindemittelschicht. Diese Polymerpulver sollen eine mittlere Korngröße
unter 1 mm, vorzugsweise unter 350 μm und ganz besonders
bevorzugt unter 100 μm aufweisen.
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In
der Regel enthält das reaktive Strukturmaterial weiterhin
an sich bekannte Füllstoffe wie zum Beispiel die diversen
gemahlenen oder gefällten Kreiden, Ruß, Calcium-Magnesiumcarbonate, Schwerspat
sowie insbesondere silicatische Füllstoffe vom Typ des
Aluminium-Magnesium-Calcium-Silicats, z. B. Wollastonit, Chlorit.
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Soll
das thermisch expandierbare, hitzehärtbare Strukturmaterial
zur Herstellung von spezifisch leichten Strukturen eingesetzt werden,
enthält es vorzugsweise zusätzlich zu den vorgenannten
"normalen" Füllstoffen sog. Leichtfüllstoffe,
die ausgewählt werden aus der Gruppe der Metallhohlkugeln
wie z. B. Stahlhohlkugeln, Glashohlkugeln, Flugasche (Fillite),
Kunststoffhohlkugeln auf der Basis von Phenol-harzen, Epoxidharzen
oder Polyestern, expandierte Microhohlkugeln mit Wandmaterial aus (Meth)acrylsäureester-Copolymeren,
Poly-styrol, Styrol(meth)acrylat-Copolymeren sowie insbesondere
aus Polyvinylidenchlorid sowie Copolymeren des Vinyliden-chlorids
mit Acrylnitril und/oder (Meth)acrylsäureestern, keramische
Hohlkugeln oder organische Leichtfüllstoffe natürlichen
Ursprungs wie gemahlene Nussschalen, beispielsweise die Schalen
von Cashewnüssen, Kokosnüssen oder Erdnuss-schalen
sowie Korkmehl oder Kokspulver. Besonders bevorzugt werden dabei
solche Leichtfüllstoffe auf der Basis von Mikrohohlkugeln, die
eine hohe Druckfestigkeit des aufgeschäumten und gehärteten
Strukturmaterials gewährleisten.
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Als
Treibmittel eignen sich zwar im Prinzip alle bekannten Treibmittel
wie z. B. "chemische Treibmittel" die durch Zersetzung Gase freisetzten
oder "physikalische Treibmittel", d. h. expandierende Hohlkugeln.
Beispiele für die erstgenannten Treibmittel sind Azobisisobutyronitril,
Azodicarbonamid, Di-Nitroso-pentamethylentetramin, 4,4'-Oxybis(benzolsulfonsäurehydrazid),
Diphenylsulfon-3,3'-disulfohydrazid, Benzol-1,3-disulfohydrazid,
p-Toluolsulfonylsemicarbazid. Besonders bevorzugt werden jedoch
die expandierbaren Kunststoffmikrohohlkugeln auf der Basis von Polyvinylidenchloridcopolymeren oder
Acrylnitril/(Meth)acrylat-Copolymeren, diese sind z. B. unter den
Namen "Dualite®" bzw. "Expancel®" von den Firmen Pierce & Stevens bzw.
Casco Nobel im Handel erhältlich.
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Weiterhin
können die reaktiven Strukturmaterialien gängige
weitere Hilfs- und Zusatzmittel wie z. B. Weichmacher, Rheologie-Hilfsmittel,
Netzmittel, Haftvermittler, Alterungsschutzmittel, Stabilisatoren und/oder
Farbpigmente enthalten.
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Um
nach dem Aushärten die Aufgabe der Versteifung des Raums
zwischen Hohlraumprofil und inertem Verstärkungsteil erfüllen
zu können, ist es zweckmäßig, dass das
zum Einsatz kommende Strukturmaterial einen E-Modul von mindestens
300 MPa aufweist. Wie dem Fachmann bekannt, kann dies durch Art
und Menge von Härtern und Beschleunigern eingestellt werden.
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Beispielsweise
sind thermisch härtbare Strukturmaterialien geeignet, die
nach dem Aushärten duktile Strukturschäume bilden
und die in der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 102006050697.9 beschrieben
sind. Diese weisen ein duktiles Verhalten im Temperaturbereich von –20
bis +80°C auf, wobei im Wesentlichen kein Absenken des
Kraftniveaus erfolgt. Dadurch werden verbesserte FEA-Berechnungen
(Finite Element Analysis) möglich, da ein konstantes Kraftniveau über
den Verformungsbereich erzielt wird. Dies ermöglicht neue
Einsatzgebiete, da bei Belastung eine definierte Verformung des
Strukturschaums erfolgt, anstatt eines spröden Zerplatzens
der Schäume bei geringen Verformungen.
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Das
entsprechende härtbare Strukturmaterial enthält:
mindestens
ein Epoxidharz,
mindestens eine Phenolverbindung,
mindestens
ein Polyetheramin,
mindestens ein Treibmittel,
mindestens
einen Härter und
mindestens einen Füllstoff.
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Als
Epoxidharze eignen sich eine Vielzahl von Polyepoxiden, die mindestens
2 1,2-Epoxigruppen pro Molekül haben und die weiter oben
näher beschrieben wurden.
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Gegebenenfalls
können die Bindemittel-Zusammensetzungen Reaktivverdünner
zum Einstellen des Fließverhaltens enthalten, wie ebenfalls
weiter oben näher beschrieben wurde.
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Bevorzugte
Phenolverbindungen sind bei Raumtemperatur (d. h. in einem Temperaturbereich zwischen
18°C und 25°C, vorzugsweise bei 22°C) fest
und haben ein Molekulargewicht (Mn) zwischen 2 800 und 9 000. Vorzugsweise
sind die Phenolverbindungen difunktionell in Bezug auf die phenolischen
Gruppen, d. h. sie haben einen Gehalt an phenolischen Hydroxylgruppen
zwischen 1 400 und 2 500 mmol/kg. Prinzipiell sind alle Phenolverbindungen
geeignet, die die vorgenannten Kriterien erfüllen, ganz
besonders bevorzugt sind jedoch Umsetzungsprodukte aus difunktionellen
Epoxyverbindungen mit Bisphenol A im stöchiometrischen Überschuss.
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Als
Polyetheramine können bevorzugt aminoterminierte Polyalkylenglycole,
insbesondere die difunktionellen aminoterminierten Polypropylenglycole,
Polyethylenglycole oder Copolymere von Propylenglycol und Ethylenglycol
eingesetzt werden. Diese sind auch unter dem Namen "Jeffamine" (Handelsname
der Firma Huntsman) bekannt. Geeignet sind weiterhin die difunktionellen
aminoterminierten Polyoxytetramethylenglycole, auch Poly-THF genannt.
Der Molekulargewichtsbereich (Mn) der vorzugsweise difunktionellen
Polyetheramine (bezogen auf die primären Aminogruppen)
liegt zwischen 900 und 4 000, vorzugsweise zwischen 1 500 und 2
500.
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Als
Treibmittel eignen sich im Prinzip alle bekannten Treibmittel, wie
sie vorstehend näher beschrieben wurden.
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Als
Härter werden thermisch aktivierbare oder latente Härter
für das Epoxidharz-Bindemittelsystem eingesetzt, die ebenfalls
weiter oben näher beschrieben wurden.
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Die
erfindungsgemäß einsetzbaren thermisch härtbaren
Zusammensetzungen können ferner feinteilige thermoplastische
Copolymere enthalten, wie sie weiter oben näher beschrieben
werden.
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In
der Regel enthalten diese thermisch härtbaren Zusammensetzungen
weiterhin an sich bekannte Füllstoffe wie zum Beispiel
die diversen gemahlenen oder gefällten Kreiden, Ruß,
Calcium-Magnesiumcarbonate, Schwerspat sowie insbesondere silicatische
Füllstoffe vom Typ des Aluminium-Magnesium-Calcium-Silicats,
z. B. Wollastonit, Chlorit. Vorzugsweise können Glimmer-haltige
Füllstoffe mit verwendet werden, ganz besonders bevorzugt
ist hier ein so genannter 2-Komponentenfüllstoff aus Muskovit-Glimmer
und Quarz mit niedrigem Schwermetaligehalt.
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Weiterhin
können die erfindungsgemäß einzusetzenden
härtbaren Strukturmaterialien gängige weitere
Hilfs- und Zusatzmittel wie z. B. Weichmacher, Reaktivverdünner,
Rheologie-Hilfsmittel, Netzmittel, Haftvermittler, Alterungsschutzmittel,
Stabilisatoren und/oder Farbpigmente enthalten. Je nach Anforderungsprofil
in Bezug auf Verarbeitungseigenschaften, die Flexibilität,
die geforderte Versteifungswirkung sowie der klebende Verbund zu
den Substraten können die Mengenverhältnisse der
Einzelkomponenten in verhältnismäßig
weiten Grenzen variieren. Typische Bereiche für die wesentlichen
Komponenten sind:
festes Epoxidharz 2 bis 65 Gew.-%,
Phenolverbindung
1 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 10 Gew.-%
Polyetheramin
0,5 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 10 Gew.-%
Treibmittel
0,1 bis 5 Gew.-%,
Härter und Beschleuniger 1,5 bis
5 Gew.-%,
Glimmerhaltiger Füllstoff 0 bis 40 Gew.-%,
vorzugsweise 1 bis 30 Gew.-%
Weitere Füllstoffe 5
bis 20 Gew.-%
Reaktivverdünner 0 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise
0 bis 10 Gew.-%
Ethylen-Vinylacetat-Copolymer 0 bis 10 Gew.-%,
vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-%
Fasern 0 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise
0 bis 10 Gew.-%
Pigmente 0 bis 1 Gew.-%,
wobei die Summe
der Gesamtbestandteile 100 Gew.-% ergibt.
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Als
reaktives Strukturmaterial können weiterhin eingesetzt
werden:
Gemäß
WO
00/37554 Zusammensetzungen, die
- A)
ein Copolymeres mit mindestens einer Glasübergangstemperatur
von –30°C oder niedriger und gegenüber
Epoxiden reaktiven Gruppen oder ein Reaktionsprodukt dieses Copolymeren
mit einem Polyepoxid sowie
- B) ein Reaktionsprodukt aus einem Polyurethan-Präpolymer
und einem Polyphenol oder Aminophenol sowie
- C) mindestens ein Epoxidharz enthalten.
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Genauere
Angaben hierzu können der genannten
WO 00/37554 entnommen werden.
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Gemäß
WO 00/20483 Zusammensetzungen,
enthaltend:
- A) ein Copolymeres mit mindestens
einer Glasübergangstemperatur von –30°C
oder niedriger und gegenüber Epoxiden reaktiven Gruppen
- B) ein Reaktionsprodukt herstellbar durch Umsetzung eines Carbonsäureanhydrids
oder -dianhydrids mit einem Di- oder Polyamin und einem Polyphenol
oder Aminophenol
- C) mindestens ein Epoxidharz.
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Genauere
Angaben hierzu können der genannten
WO 00/20483 entnommen werden.
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Insbesondere
werden solche expandierbaren Massen bevorzugt, die mit den Innenwänden
(z. B. aus Stahl oder einem sonstigen Metall oder aus Kunststoff)
der zu verstärkenden Hohlraumstruktur sowie mit den Wänden
der inerten Verstärkungsteile verkleben können,
damit die Stoßkräfte durch die Verklebung kraftschlüssig
in die Verstärkungsstruktur optimal eingeleitet werden
können.
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Das
thermisch expandierbare Material kann bereits am Ort seiner Herstellung
zu den erwünschten Stücken geformt werden, beispielsweise
durch Guss in eine entsprechende Form oder durch Extrusion zu einem
Strang und Zerschneiden des extrudierten Stranges. Dies hat jedoch
den Nachteil, dass die vorgeformten Stücke verpackt, versandt
und am Ort der Anwendung der Verpackung entnommen werden müssen.
Daher verfährt man in einer Ausführungsform vorzugsweise
so, dass das thermisch expandierbare Material als Strang extrudiert
und versandt und erst unmittelbar vor dem Einbringen in den Hohlraum
am Ort der Anwendung in Stücke vorbestimmter Länge
zerschnitten wird. Beispielsweise kann dies so erfolgen, dass man
den extrudierten Strang zu einer Rolle aufrollt, am Ort der Anwendung abrollt
und in Stücke vorbestimmter Länge zerschneidet.
Mit einer Greifeinrichtung, beispielsweise einem Roboterarm, können
die geschnittenen Stücke gegriffen und in das Hohlbauteil
eingesetzt werden. Die Verstärkungsteile aus inertem Material
werden vorzugsweise am Ort der Anwendung so bereit gestellt, dass
sie ebenfalls von einem Roboterarm ergriffen und in den Hohlraum
eingebracht werden können.
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Alternativ
gilt bei Verwendung von thermisch expandierbarem Material in Kugelform,
dass man diese in die weiter oben beschriebenen Säckchen
abfüllen kann, deren Größe und Form auf
die auszufüllenden Zwischenräume abgestimmt ist.
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Ein
direkter Kontakt der inerten Verstärkungsteile mit den
Innenwänden des Hohlbauteils soll vermieden werden. Daher
werden die Verstärkungsteile und die Stü cke aus
thermisch expandierbarem Material so in dem Hohlraum angeordnet, dass
zwischen der Innenwand des Hohlraums und einem Verstärkungsteil
jeweils ein Stück aus einem thermisch expandierbaren Material
zu liegen kommt. Dabei kann ein einziges inertes Verstärkungsteil
eingesetzt werden, das den zu verstärkenden Hohlraum zumindest
in einer Querschnittsebene zu mehr als 50% ausfüllt und
das zumindest angenähert in der Mitte des Hohlraums positioniert
wird, während in den verbliebenen Raum zwischen Innenwänden
des Hohlraums und dem Verstärkungsteil mindestens zwei,
vorzugsweise jedoch mehrere Stücke aus thermisch expandierbarem
Material eingebracht werden. Man kann jedoch auch zwei oder mehr
inerte Verstärkungsteile vorsehen, die nebeneinander in
den Hohlraum eingebracht werden, wobei jeweils zwischen den einzelnen
Verstärkungsteilen und zwischen Verstärkungsteilen
und Innenwand des Hohlraums Stücke aus thermisch expandierbarem
Material angeordnet werden. Durch einen entsprechend programmierten
Roboter kann dies automatisch erfolgen.
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Analog
ordnet man in den genannten alternativen Ausführungsformen
dem Vorstehenden entsprechend Säckchen an, die das thermisch
expandierbare Material enthalten. Oder man bringt dieses lose in
die entsprechenden Zwischenräume ein, wobei zu deren besserer
Begrenzung die weiter oben erwähnten vorspringenden Wände
oder Rippen an den inerten Verstärkungsteilen hilfreich
sein können.
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Dabei
sieht man vorzugsweise vor, dass man in dem Hohlraum des Hohlbauteils
Halteelemente vorsieht, auf welche das Verstärkungsteil
bzw. die Verstärkungsteile und die Stücke aus
bzw. die Säckchen mit einem thermisch expandierbarem Material aufgestellt
oder an welche das Verstärkungsteil bzw. die Verstärkungsteile
und die Stücke aus einem thermisch expandierbarem Material
angelehnt werden. Solche Halteelemente können beispielsweise
Netze, Siebe oder vorzugsweise perforierte Platten sein. Solche
Halteelemente können auch dazu dienen, in Kugel- oder Granulatform
oder auch als pumpbare Masse eingebrachtes thermisch expandierbares
Material zu fixieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann man vorsehen, die erwünschte räumliche Anordnung
der Teile aus einem thermisch expandierenden Material und der inerten Verstärkungsteile
vorzufertigen und im vorgefertigten Zustand in das zu verstärkende
Hohlprofil einzusetzen. Für dieses Vorfertigen kann man
beispielsweise Halteplatten vorsehen, in welche die Teile aus dem thermisch
expandierbaren Teil und die inerte Verstärkungsteile in
der erwünschten Anordnung eingesteckt und fixiert werden.
Diese Halteplatten können auch die Form einer Gitterstruktur
aufweisen. Die Halteplatten können aus einem Material bestehen, das
auch als Material für die Verstärkungsteile dienen kann,
wie es weiter oben beschrieben wurde. Vorzugsweise weisen die Halteplatten
Befestigungselemente wie beispielsweise Klipse oder Verkleb- oder verschweißbare
Flansche auf, so dass die gesamte Anordnung aus Halteplatte und
den Teilen aus dem thermisch expandierenden Material und den inerten Verstärkungsteilen
beim Zusammenbau eines Hohlprofils aus zwei Halbschalen an der einen
Halbschale befestigt werden kann, bevor diese mit der anderen Halbschale
verbunden wird.
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Demnach
besteht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens darin, dass man Teile aus thermisch expandierbarem Material
und inerte Verstärkungsteile nebeneinander auf einer Haltevorrichtung
anordnet und diese Haltevorrichtung mit der Anordnung der Teile
aus thermisch expandierbarem Material und der inerten Verstärkungsteile
in das Hohlbauteil einsetzt. Eine entsprechende Anordnung von Teilen
aus einem thermisch expandierbaren Material und von inerten Verstärkungsteilen,
die durch eine Haltevorrichtung relativ zueinander fixiert werden,
gehört ebenfalls zum Umfang der vorliegenden Erfindung.
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Vorzugsweise
ordnet man die Verstärkungsteile und die Stücke
aus oder Säckchen mit thermisch expandierbarem Material
so an, dass längs der Innenwände des Hohlbauteils
ein Flutspalt einer Breite von etwa 1 bis etwa 10 mm, vorzugsweise
von etwa 2 bis etwa 4 mm verbleibt. Dieser Flutspalt gewährleistet,
dass die diversen Prozessflüssigkeiten, mit denen die Rohbaukarosserie
behandelt wird, alle Teile der Innenseiten der Hohlraumwände
benetzen können. Der Flutspalt schließt sich erst
bei der thermischen Expansion der thermisch expandierbaren und härtbaren
Masse, wodurch die Zweckerfüllung der Verstärkung,
Dämmung, Dämpfung und/oder Abdichtung der Hohlbauteile
erreicht wird.
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Schließlich
betrifft die vorliegende Erfindung einen Gegenstand, der mindestens
ein Hohlbauteil enthält, welches nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren versteift, gedämmt, gedämpft oder abgedichtet
wurde. Beispielsweise kann es sich bei diesem Gegenstand um ein
Landfahrzeug wie beispielsweise ein Schienenfahrzeug oder einen
Kraftwagen handeln. Erfindungsgemäß verstärkte
Hohlbauteile können jedoch auch in Flugzeugen, Schiffen,
Ingenieurbauten wie beispielsweise Architekturteilen, Trägern, Brückenteilen
und ähnliches eingebaut sein. Bei diesem Gegenstand kann
es sich insbesondere um ein Fahrzeug handeln, das ein derart ausgerüstetes Hohlbauteil
enthält. Hierfür kommen beispielsweise Hohlträger
wie die A-, B- oder C-Säule, Schweller oder ähnliche
Hohlbauteile in Betracht.
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Beschreibung der Abbildungen:
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Die
Figuren erläutern die vorliegende Erfindung beispielhaft,
ohne diese hierauf einzugrenzen.
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Beide
Figuren zeigen jeweils schematisch einen Querschnitt durch ein Hohlbauteil
wie beispielsweise eine der „Säulen" („pillar")
eines Kraftfahrzeugs. Dieses Hohlbauteil wird durch Verbinden zweier
Halbschalen 1a und 1b an den Flanschen zwischen
diesen geschaffen und schließt einen Hohlraum 2 ein.
In diesen Hohlraum ist ein, ebenfalls im Querschnitt gezeigtes,
inertes Verstärkungsteil 3 eingesetzt, das seinerseits
einen Hohlraum 8 umschließt. Dieser ist hier leer
dargestellt, kann aber in anderen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung von Verstärkungselementen wie Zwischenwänden,
Rippen oder Streben durchzogen oder mit einer Schaumstruktur ausgefüllt
sein.
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Das
inerte Verstärkungsteil 3 weist in diesem Beispiel
insgesamt vier vorspringende Wände oder Rippen 4 auf,
die jeweils paarweise Zwischenräume 9 eingrenzen,
die das thermisch expandierbare Material aufnehmen sollen. In 1 ist
das thermisch expandierbare Material als kompaktes Stück 5 in
den Zwischenraum 9 zwischen Verstärkungsteil 3 und den
Innenwänden der Halbschalen 1a und 1b eingesetzt.
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2 zeigt
zwei alternative Ausführungsformen, die thermisch expandierbare
Masse als Kugeln in den Zwischenraum 9 zwischen Verstärkungsteil 3 und
der Innenwand einer Halbschale 1a bzw. 1b einzubringen.
Dabei ist hier schematisch eine Variante mit angenähert
gleich großen Kugeln dargestellt, die aus einem inerten
Kern und einer Hülle aus thermisch expandierbarem Material
bestehen, wie dies als eine Ausführungsform weiter oben
ausführlich beschrieben wurde. Im oberen Zwischenraum 9 sind diese
Kugeln in ein Säckchen 7 eingeschlossen, während
sie im unteren Zwischenraum 9 als lose Kugelschüttung
eingebracht sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4978562
A [0003]
- - US 4861097 A [0004]
- - US 4901500 A [0004]
- - EP 1064188 A1 [0005]
- - EP 383498 [0006]
- - WO 00/52086 [0046]
- - WO 2003/054069 [0046]
- - WO 2004/065485 [0046]
- - DE 102006050697 [0062]
- - WO 00/37554 [0073, 0074]
- - WO 00/20483 [0075, 0076]